Comprene lo nuclear, fabricar d’electricitat amb l’energia nucleara

L’esen article per far conéisser en prigondor la filièra del nuclear: coma se fabrica d’electricitat amb d’energia nucleara? Fach seguida al sul començament de l’urani e a Lo cicle del combustible nuclear.

Principis

Per produire d’electricitat, se recor a una font d’energia: petròli, carbon, biomassa, nucleara, idraulica, vent, solelh que permet de far virar una turbina e un alternator generant un corrent electric.

Un reactor nuclear es donc una centrala termica (tot parièr coma las centralas de fiol, carbon o biomassa) ont la font d’energia es constituïda pel combustible nuclear que, en fissionnant, fornís de calor, çò que permet de far de vapor d’aiga. La vapor (jos pression) entrainarà turbina e alternator per produire l’electricitat.

Principi de la fission – Reaccion en cadena

La fission nucleara consistís a copar los nuclèus d’atòms pesucs fissils pel mejan de neutrons. Quand aquestes neutrons son eles-meteisses eissits de fissions precedentas s’obten alara una reaccion en cadena.

Lo resultat de la fission d’un nuclèu pesuc es constituït d’un pauc mai de 2 novèls neutrons e de dos nuclèus mai leugièrs dont la massa totala es inferiora a la massa iniciala del nuclèu fissionat. Aquesta diferéncia de massa correspond a l’energia liberada segon la celèbra formula d’Einstein : E = mc². L’energia es considerabla ja que la fission de 1 grama d’U²³⁵ balha una energia equivalenta a près de 2 tonas de petròli e 4,5 tonas de carbon. Aquesta energia liberada dins un fluïde (sovent l’aiga) se transforma en calor amb la collision successiva de las particulas entre elas.

Per manténer una reaccion en cadena, cal donc pro de neutrons perque d’unes son absorbits per de nuclèus d’elements sens induire de fission, o alara induiràn una fission de nuclèus qu’emetràn mai de 2 neutrons o mens de 2 neutrons.

Dins un reactor lo combustible conten d’U²³⁸ fertil qu’en captant un neutron balha de Pu²³⁹ fissil que participa après a las reaccions de fission dins lo còr. S’estima que mai o mens un 40% de l’energia producha dins un reactor proven del plutòni que se forma pendent que foncciona.

Principi de fonccionament d’un reactor

Per aviar los principis de fonccionament çai-sus, un reactor compòrta donc los compausants seguents :

1. De nuclèus fissils en quantitats sufisentas. Aquestes nuclèus son dispersats dins una matritz de nuclèus fertils. En emplegant l’urani cal donc enriquir en U²³⁵ fissil per manténer una reaccion en cadena.

• Un material (solid o liquid) dich moderator per tal de tornar la velocitat dels neutrons a una velocitat inferiora a la de l’ejeccion iniciala que siá propícia a la fission (de 20000 km/s a 2 km/s).
• Un fluïde, dich caloportaire, que permet d’evacuar la calor producha jos forma de vapor, del reactor cap a la turbina. Per de rasons de securitat i a dos circuits per evitar d’utilizar dirèctament l’aiga en contacte amb lo còr.
• De sistèmas que permeton d’aviar la fission e qu’asseguran la securitat del fonccionament :
  • reflectors per evitar la fugida dels neutrons;
  • materials d’estructura per recampar totes los compausants e los acantonar;
  • organs de mesuras e de contròtles de la reaccion en cadena (barras de contròtles captant los neutrons);
  • un generator de vapor, un turboalternator e totes los auxiliars electrics per alimentar lo reactor.

Las diferentas filièras de reactors

Divèrsas sòrtas de centralas nuclearas son estadas concebudas en fonccion de las tecnologias causidas siá pel tipe de moderator, siá pel fluïde caloportaire, siá sus la natura del combustible nuclear utilizat.

Aital avèm las cinc filièras actualament en servici:

Mai del 85% del pargue mondial es constituït per de reactors de tipe REP/REB.

La filièra UNGG a practicament desaparegut. Ne demòra pas qu’en Granda Bretanha.

La filièra CANDU es constituïda de reactors entre 300 e 600 MW e es presenta sustot a Canadà, Índia, Paquistan, Corèa del Sud, Argentina, Romania, China.

La filièra RBMK existís essencialament en Russia, Ucraïna e Lituània. Lo reactor de Chornobyl èra un RBMK. Fòrça son estats arrestats e los reactors restants son estats someses a d’importants melhoraments de securitat.

Lo projècte internacional «Generacion IV»

Aqueste projècte a per mira d’estudiar los reactors del futur amb de novèlas tecnologias.

1. En efièch los reactors actuals an en comun de consumir sonque d’U²³⁵ que representa pas qu’un 0,7% de l’urani natural. La màger part dels reactors actualament en produccion utilizan d’aiga a l’encòp coma moderator e coma fluïde caloportaire e òm abotís a un rendement termodinamic de produccion d’electricitat qu’es solament de 35-36%.

Sièis filièras

Per melhorar los besonhs en ressorsa naturala, los rendements, l’environament e la securitat un cèrt nombre de projèctes son estudiats. Las sièis filièras seguentas (sus 120) son estadas seleccionadas:

• SFR (Sòdi cooled Fast Reactor): Reactor rapid refregit al sòdi. S’agís de la filièra a la quala apartenián los reactors franceses (Rapsodie, Phènix, Superphénix). Las evolucions considèran lo reciclatge integral dels actinides e una simplificacion per diminucion del nombre de boclas sòdi.
• 

  Reactor experimental Brest-OD-300 a neutrons rapids alimentat en nitrur urani-plutòni e refregit al plomb

  LFR (Lead cooled Fast Reactor): Reactor rapid refregit al plomb (o aliatge plomb – bismut). S’agís de remplaçar lo sòdi per evitar las reaccions violentas aiga-sòdi en cas de rompedura d’estanqueïtat del sistèma de refregiment. Desvolopat dins d’unes sosmarins sovietics, aquesta tecnologia acipa contra lo problèma de la circulacion del plomb (metal plan dens e corrosiu a nauta temperatura) per de reactors de granda poténcia.

• SCWR (Super Critical Water cooled Reactor): Reactor termic o rapid refregit a l’aiga supercritica. Son utilizacion permetriá d’utilizar l’aiga a de temperaturas vesinas de 550 °C jos 250 bars de pression e d’aumentar los rendements fins al 44% en simplificant los circuits d’un reactor REP (eliminacion dels secadors e separators de vapor).
• GFR (Gas cooled Fast Reactor): Reactor rapid refregit al gas (Èli a 850 °C). Aqueste tipe de reactor permetriá d’aumentar los rendements fins al 48%.
• VHTR (Very High Temperature Reactor): Reactor termic refregit al gas (èli a mai de 1000°C). Aquestes reactors serián puslèu dedicats a la produccion d’idrogèn (per una electrolisi o un cicle termoquimic utilizant d’iòde e de sofre).
• MSR (Molten Salt Reactor): Reactor a neutrons epitermics refregit a las sals fondudas. S’utilizan dins un MSR de sals fondudas constituïdas de fluorurs mixtes de sòdi, zircòni e urani dins los quals s’es dissolguda la matèria fissila. Las sals son donc a l’encòp combustible e fluïde caloportaire. L’energia dels neutrons dins un tal sistèma es mai nauta que dins un reactor d’aiga convencional mas mens que dins un reactor rapid (subregenerator). Se parla de neutrons epitermics. Aqueste tipe de reactor permetriá un fonccionament amb de tòri. Mas las sals fondudas a nauta temperatura necessitan de resòlvre de problèmas de corrosion ligats a aquestes mitans.

Una pista novèla: los SMR

Es de notar enfin l’interès emergissent per de reactors pichons: los SMR (Small Modular Reactor).

Fins ara los reactors construches èran generalament de reactors gròsses (900 a 1700 MW), per tal de minimizar los còstes d’investiments e respondre als besonhs en energia dels païses industrializats.

Los SMR (< 300 MW), mens costoses, pòdon presentar un interès per de païses pichons o de païses en via de desvolopament o encara per esquipar de zònas isoladas o produire de calor (calfatge urban) o tanben èsser la font d’energia per d’aplicacions energivòras localas (dessalament d’aiga de mar, produccion d’idrogèn, o encara venir remplaçar l’arrèst de centralas termicas fonccionant al carbon o al fiol).

En 2020 mai de 64 projèctes existissián, basats siá sus las filièras classicas siá sus las tecnologias de IV^èna generacion.

A l’ora d’ara 3 SMR son en produccion, e 4 autres en preparacion. D’unes se basan sus la concepcion dels reactors navals (sosmarin, pòrtavion, trencaglaç).

Los reactors al tòri

A vegadas se fa mediaticament referéncia al tòri coma combustible alternatiu a l’urani, en presentant cèrts avantatges: elements tres a quatre còps mai abondants que l’urani, produccion de degalhs mendre, pauc propici a la proliferacion nucleara…

Ont ne sèm a l’ora d’ara?

S’es verai que lo tòri natural es mai abondant que l’urani natural, l’extraccion e la valorizacion ne serián per contra mai dificilas e benlèu mai costosas perque necessitan mai d’energia (temperatura, quantitats de reactius) e mai de precaucions per çò que presenta una toxicitat radiologica superiora a la de l’urani natural e son necessaris de mejans en radioproteccion mai importants.

Lo tòri natural es essencialament constituït de Th²³². Al contra de l’U²³⁵ utilizat coma element fissil de basa dins las centralas nuclearas, lo Th²³² es pas un element fissil, mas un element fertil. Per contra quand absorbís un neutron genèra un excellent isotòp fissil, l’U²³³.

Cal donc apondre al Th²³² una matèria fissila (U²³⁵ o Pu²³⁹ o U²³³) per manténer una reaccion en cadena.

Lo desvolopament d’un cicle al tòri seriá donc un complement al cicle de l’urani, a mens de desvolopar de procediments de reciclatge de l’U²³³ o se s’arriba a concebre dels subregenerators ont se poiriá produire mai d’U²³³ que çò qu’es consumit pendent un cicle d’irradiacion.

Es vertat qu’un cicle al tòri genèra globalament fòrça mens d’actinides, mas lo retractament de combustible al tòri, indispensable se se vòl beneficiar de totes los atots ligats a l’utilizacion de l’U²³³, s’averariá mai dificila que per l’urani: es mai dificil de dissòlvre (utilizacion d’acid fluoridric) e l’un dels produches de fission, l’U²³², plan radioactiu, necessitariá una gestion especifica tant al nivèl de sa formacion en reactor que de sa separacion al retractament.

Lo desvolopament d’un reactor al tòri a començat

Índia, China e Japon se son lançats dins lo desvolopament d’un cicle d’aquesta mena. China e Índia an desvolopat cadun un reactor experimental, de sals fondudas per China mentre qu’Índia desvolopa un important programa R&D sul cicle del tòri.

Anglatèrra, los Estats Units, e França desvolopan tanben de programas de recèrca sus aqueste subjècte que meritan incontestablament de continuar los esfòrces de R&D e las reflexions.

La subregeneracion e los subregenerators

La subregeneracion del combustible nuclear consistís a crear mai de combustible dins un reactor (RNR: Reactor a Neutrons Rapids) que çò que consumís!

Cossí es possible?

De fach, s’agís de crear de matèria fissila, lo Pu^239, en quantitat superiora a la qu’es consumida en foncionament.

Lo nombre de neutrons emeses per fission del Pu²³⁹ es superiora a la qu’emet l’U²³⁵ (2,33 per 2,07). Per produire mai de Pu²³⁸ que lo qu’es consumit cal netament despassar la valor de 2. En efièch, 1 neutron es adsorbit dins un autre nuclèu fissil per tal de manténer la reaccion en cadena mentre qu’un autre neutron pòt èsser adsorbit dins un nuclèu fertil coma l’U²³⁸ per balhar un nuclèu novèl de Pu²³⁹. E coma una fraccion dels neutrons eissits de las fissions se pèrd (capturas esterilas, pèrdas a l’exterior del reactor…), lo factor de reproduccion deu donc netament despassar la valor de 2. Çò qu’es lo cas amb lo Pu²³⁹. (Notem en passant qu’es tanben lo cas amb lo Th²³² e l’U²³³).

Aqueste concèpte foguèt imaginat plan d’ora pel fisician Enrico Fermi en 1945, e lo tot primièr reactor experimental RNR (1,4MW) fonccionèt del 24 aout 1951 a 1964 als USA. En tot 15 reactors experimentals e 17 RNR industrials an fonccionat fins ara, e cinc son encara en servici.

Superfènix, Isèra, barrada en 1997

França aviá aquerit una plan granda coneissença e una avançada tecnologica indenegabla (reactors Rapsodie, Phénix (250 MW) e Superphénix (1200 MW), abans d’èsser brutalament copada dins son vam per de decisions politicas metent a l’arrèst aquestes reactors aital coma en arrestant en 2019 los estudis e recèrcas del programa ASTRID (Advanced Sòdi Technology Reactor for Industrial Demonstration). Programa que deviá integrar de novèlas avançadas en tèrmes de securitat e d’optimizacion de la concepcion e dels còstes.

Avantages e inconvenients

Lo desvolopament d’aquesta tecnologia presenta un cèrt nombre d’avantatges :

• optimizar l’utilizacion de l’urani natural per sa transformacion progressiva en plutòni. A tèrme, a l’equilibri del cicle, òm se pòt passar totalament del besonh en urani;
• reduire los degalhs pauc o pro d’un factor 4. En efièch, un RNR produtz netament mens de radionucleïdes de vida longa en las «cremant» per trasmudacion nucleara dins lo reactor;
• demesir lo desgatjament de calor dels degalhs, çò que permetriá de reduire las dimensions de l’estocatge e son còst;
• obtèner una independéncia energetica sus mantun milièr d’annadas (7000 a 8000 ans). França entrepausa sus son sòl prèp de 350 000 tonas d’urani apaurit e mai o mens 100 tonas de plutòni (300 tonas suplementàrias se tròban dins de combustibles usats entrepausats);
• los RNR an un còr dètz còps mendre que lo d’un reactor convencional e necessitan pas de moderators (aiga o aiga pesuga o grafit…)

Á titol d’inconvenients cal notar :

• lo besonh d’un desvolopament sus un temps long: 50 a 100 ans en integrant estudis, démonstrator, cap de seria industriala;
• la necessitat de dispausar d’una industria de retractament per separar urani, plutòni e produches de fission;
• l’obligacion d’entreténer un estòc sufisent de matèrias primièras d’urani apaurit e plutòni per lançar la filièra. En efièch sens aquestes estòcs cal considerar qu’un RNR tal coma Superphénix deu fonccionar 37 ans per doblar la quantitat iniciala de plutòni necessari a a l’aviada d’un novèl RNR;
• l’utilizacion del fluïde caloportaire sòdi fondut (mas d’autres fluïdes serián possibles: plomb fondut, èli… e fan partida del projècte internacional «Generacion IV»);
• l’acceptacion politica e societala del desvolopament de la tecnologia.

Retrobar

Artcile 1: Començament de l’urani

Article 2: Lo cicle del combustible nuclear